DE2303939C2 - Method for operating a reactive current compensation capacitor on an alternating current network - Google Patents
Method for operating a reactive current compensation capacitor on an alternating current networkInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Blindstrom-Kompensationskondensators an einem Wechselstromnetz gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for operating a reactive current compensation capacitor on an alternating current network according to the preamble of claim 1.
Aus der DE-OS 16 38 432 ist eine Anordnung zum schnellen Zu- und Abschalten von mindestens zwei Leistungskondensatoren an ein Wechselstromnetz zur Blindstromkompensation bekannt, bei der der Kondensator vor dem Zuschalten auf den Scheitelwert der Netzwechselspannung aufgeladen wird und der zugehörige Halbleiterschalter zu einem Zeitpunkt gezündet wird, wenn an ihm die Spannung; Null oder angenähert Null ist Damit werden beim Zuschalten des Kondensators an das Wechselstromnetz: Ausgleichsschwingungen vermieden.From DE-OS 16 38 432 an arrangement for the rapid connection and disconnection of at least two Power capacitors to an alternating current network for reactive current compensation are known in which the capacitor before switching on to the peak value of the mains AC voltage is charged and the associated Semiconductor switch is ignited at a point in time when the voltage across it; Zero or approximate This means that when the capacitor is connected to the AC network: compensation oscillations avoided.
Aus der DE-OS 16 38425 ist eine Schalteinrichtung für eine für ein Wechselstromnelz bestimmte Kondensatorbatterie mit mehreren parallelen Zweigen bekannt, von denen jeder durch einen Thyristorschalter mit Thyristoren in beiden Stromirichtungen am Netz angeschlossen ist. Dabei ist jeder Thyristorschalter von einem Steuervorgang derart gesteuert, daß bei voller Blindleistungsaufnahme der Kondensatorbatterie die Thyristoren der einen und der anderen Richtung synchron mit den in der jeweiligen Richtung auftretenden Maximalwerten der Netzspannung eingeschaltet werden.From DE-OS 16 38425 a switching device is for a capacitor battery intended for an AC power supply known with several parallel branches, each of which has a thyristor switch Thyristors is connected to the network in both current directions. Each thyristor switch is from a control process controlled so that with full reactive power consumption of the capacitor battery Thyristors of one and the other direction synchronous with those occurring in the respective direction Maximum values of the mains voltage are switched on.
Ein solcher Anschluß einer Kondensatorbatterie mittels eines Thyristorschalters ist vor allem von Bedeutung in Netzen, in denen große Schwankungen der reaktiven Leistungen auftreten. Das kann in Industriegebieten der Fall sein, in denen große Arbeitsmaschinen und Anlagen mit für das Netz ungünstigen Belastungsverhältnissen vorkommen. Indem man einen Thyristorschalter zum Ein- und Ausschalten einer Kondensatorbatterie benutzt, kann man eine so große Regelgeschwindigkeit erreichen, daß Kondensatorbatterien als Kompensatoren bedeutend teurere rotierende Synchronkompensatoren ersetzen können.Such a connection of a capacitor bank by means of a thyristor switch is primarily of Significance in networks in which large fluctuations in reactive power occur. That can be done in Be the case in industrial areas where large work machines and equipment are used for the network unfavorable load conditions occur. By using a thyristor switch for on and off Switching off a capacitor bank used, one can achieve such a high control speed that Capacitor banks as compensators replace significantly more expensive rotating synchronous compensators can.
Aus der DE-OS 16 38 425 ist ebenfalls bekannt, daß der Anschluß eines Kondensatorbatterieteiles am einfachsten durch geschieht daß man eine konstante Steuerspannung an die Steuerelektroden der antiparallelen Thyristoren legt so daß die Thyristoren für beide Stromrichtungen leiten. Hierbei können jedoch beim Ein- und Ausschalten der Kondensatorbatterie Probleme mit Schaltüberströmen und -Überspannungen auftreten.From DE-OS 16 38 425 it is also known that the connection of a capacitor battery part on the The simplest way is to apply a constant control voltage to the control electrodes of the anti-parallel Thyristors sets so that the thyristors conduct for both current directions. However, in this case Switching the capacitor bank on and off Problems with switching overcurrents and overvoltages appear.
Sollen Überströme und -spannungen vermieden werden, muß das Ein- und Ausschalten der Kondensatorbatterie sowie das Umschalten zwischen den Thyristoren während des Betriebes bei Nullstrom erfolgen, d.h. kurz vor den positiven und negativen Amplitudenwerten der Netzspannung. Die verschiedenen Thyristoren sind auf diese Weise für je eine Halbperiode leitend. Während jeder Halbperiode werden die entsprechenden Kondensatorzweige umpolarisiert Das bedeutet aber, daß beim Abschalten der Kondensatorbatterie oder Teilen der Kondensatorbatterie diese Teile mit voller Spannung liegen bleiben und außerdem bei voller Spannung in Bereitschaft gehalten werden sollen, so daß sie beim Wiedereinschalten an die Maximalspannung des Netzes eingeschaltet werden können, ohne daß irgendwelche Schaltstöße auftreten. Das genannte übliche Vorgehen bedeutet jedoch einProblem bei der Wahl von Kondensatoren. Die Kondensatorbatterie mit voller Spannung in Bereitschaft zu halten, führt zu einer Gleichspannungsbelastung, die es erforderlich macht, daß die Kondensatorbatterie aus Gleichspannungskondensatoren aufgebaut wird, da das Dielektrikum in Wechselspannungskondensatoren nicht für längere Perioden Gleichspannung ausgesetzt werden sollte.If overcurrents and voltages are to be avoided, the capacitor bank must be switched on and off as well as switching between the thyristors during operation with zero current take place, i.e. shortly before the positive and negative amplitude values of the mains voltage. The different In this way, thyristors are conductive for one half cycle each. During every half period the corresponding capacitor branches are polarized. This means, however, that when the Capacitor battery or parts of the capacitor bank, these parts remain with full voltage and should also be kept in readiness at full voltage, so that they are connected to the Maximum voltage of the network can be switched on without any switching surges occurring. However, the above common practice poses a problem in the choice of capacitors. the Keeping the capacitor bank ready at full voltage leads to a DC voltage load, which makes it necessary that the capacitor bank built up from DC capacitors is because the dielectric in AC capacitors does not have DC voltage for longer periods should be exposed.
Gleichspannungskondensatoren, die die im Einschaltzustand auftretende Wechselspannungsbelastung aufnehmen können, sind jedoch bedeutend teurer als gewöhnliche Wechselspannungskondensatoren.DC voltage capacitors that absorb the AC voltage load that occurs when the device is switched on can, but are significantly more expensive than ordinary AC capacitors.
Aus der DE-AS 21 02 926 ist es bereits bekannt, die Gleichspannungsbelastung der Kondensatoren zu vermeiden und durch eine derartige Ausbildung der Steuerorgan^ gelöst worden, daß bei reduzierter Blindleistungsaufnahme der Kondensatorbatterie die Steuerorgane zumindest einiger der Thyristorschaltungen Steuerimpulse abgeben, die diese Thyristorschalter mit einer Frequenz, die nur ein Bruchteil der Netzfrequenz ist, jeweils bei Maximalwerten der Netzspannung abwechselnd in die eine und andere Richtung einschalten.From DE-AS 21 02 926 it is already known to avoid the DC voltage load on the capacitors and by such a training of the control organ ^ been solved that at reduced Reactive power consumption of the capacitor battery, the control organs of at least some of the thyristor circuits These thyristor switches emit control pulses at a frequency that is only a fraction of the Mains frequency is, in each case at maximum values of the mains voltage, alternately in one and the other Switch on direction.
Die Thyristoren werden also so gesteuert, daß die Kondensatoren auch in den Bereitschaftsperioden, d. h. in den Zeiten, in denen die Kondensatoren im Prinzip nicht eingeschaltet sind, ständig umpolarisiert werden. Dadurch wird eine reine Gleichspannungsbeanspruchung der Kondensatoren vermieden, und es sollen die bedeutend billigeren WechselspannungskondensatorenThe thyristors are so controlled that the capacitors also in the standby periods, i. H. in the times when the capacitors are in principle not switched on, are constantly reversed in polarity. This avoids a pure direct voltage stress on the capacitors, and the significantly cheaper AC capacitors
verwendet werden können, deren Dielektrikum keine längere Gleichspannungsbeanspruchung verträgtcan be used whose dielectric does not tolerate prolonged DC voltage stress
Bei dieser bekannten Lösung werden jedoch die Halbleiterbauelemente des Kondensatorschalters noch mit dem Betrag der doppelten Netzspannung als Sperrspannung beansprucht und eine Zuschaltung der Kompensationskondensatoren kann iiicht immer sofort sondern nur dann erfolgen, wenn die Polarität der Netzspannung mit der Polarität der Ladespannung des Kondensator! übereinstimmt, im Extremfall also erst fast eine volle Periode später. Letztlich bleibt für die Wechse'ispanraungskondensatoren der Einfluß der immer noch vorhandenen Gleichspannungskomponente hinsichtlich ihrer Lebensdauer als nachteilig zu befürchten, und es kann der niederfrequente Umladevorgang der Kondensatoren zu Flimmererscheinungen im angeschlossenen Netz führen.In this known solution, however, the semiconductor components of the capacitor switch are still with the amount of twice the mains voltage claimed as reverse voltage and a connection of the Compensation capacitors cannot always be made immediately, but only if the polarity of the Mains voltage with the polarity of the charging voltage of the capacitor! matches, in extreme cases only almost a full period later. Ultimately, the influence of the always remains for the alternating capacitors still existing DC voltage components are to be feared as disadvantageous with regard to their service life, and the low-frequency recharging process of the capacitors can lead to flickering in the connected network.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines Blindstron-Kompensationskondensators an einem Wechselstromnetz anzugeben, bei dem unter Gewährleistung eines ausgleichsschwingungsfreien Schaltens das Zu- und Abschalten des Kompensationskondensators mit der größtmöglichen Geschwindigkeit erfolgt, der Kompensationskondensator keiner Gleichspannungsbelastung unterliegt und keine niederfrequenten Umladevorgänge des Kompensationskondensators auftreten.The object of the present invention is to provide a method for operating a blind current compensation capacitor to be specified on an alternating current network, with the guarantee of a compensation vibration-free Switching the connection and disconnection of the compensation capacitor with the largest possible Speed takes place, the compensation capacitor is not subject to any DC voltage load and no low-frequency recharging processes of the compensation capacitor occur.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angeführten Verfahrensmerkmale gelöstThis object is achieved by the method features cited in the characterizing part of claim 1 solved
Es erfolgt dabei die Vor- bzw. Entladung des Kondensators durch eine kurzzeitige Zündung des Halbleiterschalters in dem schon beschriebenen Stromkreis, einem Reihenschwingkreis, der aus dem Halbleiterschalter, dem Kondensator, einer Induktivität und dem Netz besteht Der Halbleiterschalter kann aus an sich bekannten Elementen, z. B. antiparallel geschalteten Thyristoren oder einem bidirektionalen Thyristor (Triac) aufgebaut sein.The capacitor is precharged or discharged by briefly igniting the Semiconductor switch in the circuit already described, a series resonant circuit, which consists of the semiconductor switch, the capacitor, an inductance and the network known elements, e.g. B. anti-parallel connected thyristors or a bidirectional thyristor (Triac) be constructed.
Die Induktivität des Schwingkreises kann von der induktiven Komponente des Netzinnenwiderstandes gebildet werden, oder es kann auch ein besonderes induktives Bauelement, z. B. eine Drossel vorgesehen werden, wobei dann die Netzinduktivität und die Drosselinduktivität zusammenwirken oder bei einem vollständig kompensierten Netz die induktive Wirkung der Drossel allein mit der Kapazität das Schwingkreisverhalten bestimmen.The inductance of the resonant circuit can be determined by the inductive component of the network's internal resistance be formed, or a special inductive component, e.g. B. a throttle is provided are, in which case the network inductance and the choke inductance interact or in one fully compensated network, the inductive effect of the choke with the capacity alone, the resonant circuit behavior determine.
Den Schaltzeitpunkt für das Vor- bzw. Entladen des Kondensators innerhalb der Viertelperiode vor bzw. nach dem Eini- oder Abschalten des Kondensators vom Netz wählt man in Berücksichtigung der das Schwingkreisverhalten bestimmenden Größen, und zwar derart, daß das Schaltüberschwingen der Spannung am Kondensator genau auf die gewünschten Werte, insbesondere den Scheitelwert der Netzspannung beim Vorladen oder den Wert Null beim Entladen erfolgt.The switching time for pre-discharging or discharging the capacitor within the quarter period before or after the capacitor has been switched on or off from the mains, the resonant circuit behavior is selected, taking into account the determining variables, in such a way that the switching overshoot of the voltage on Capacitor exactly to the desired values, especially the peak value of the mains voltage at Pre-charging or the value zero when discharging takes place.
Es kann sich in manchen Fällen auch als vorteilhaft erweisen, das Vor- bzw. Entladen des Kondensators nicht aus bzw. auf der Netzspannung vorzunehmen sondern dafür eine besondere Hilfsspannungsquelle vorzusehen, wobei ebenfalls ein in diesem Schaltkreis vorzusehener Halbleiterschalter nur kurzzeitig gezündet wird. Es kann dieser Hilfsladestromkreis für den Kompensationskondensator auch zu einem Schwingkreis durch Einbau einer Induktivität, z. B. einer besonderen Drossel ausgebaut werden.In some cases it can also prove advantageous to pre-discharge or discharge the capacitor not to be made from or on the mains voltage, but rather a special auxiliary voltage source to be provided, whereby a semiconductor switch to be provided in this circuit is also only ignited for a short time will. This auxiliary charging circuit for the compensation capacitor can also become an oscillating circuit by installing an inductance, e.g. B. a special throttle can be expanded.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind darin zu sehen, daß der Kondensator zur Blindstromkompensation des Netzes einer reinen Wechselspannungsbeanspruchung unterliegt und damit Nachteile hinsichtlich seiner Lebensdauer aufgrund von Gleichstrombelastungen vermieden sind. Des weiteren haben die Halbleiterbauelemente des Kondensatorschalters nur den Betrag der einfachen Netzspannung als Sperrspannung, da die Kondensatorspannung im ausgeschalteten Zustand gleich Null ist Weiterhin kann der Zu- und Abschaltzeitpunkt des Kondensators am Netz sowohl im positiven oder negativen Scheitelwert der Netzspannung liegen.The advantages of the method according to the invention can be seen in the fact that the capacitor is used for reactive current compensation of the network is subject to pure alternating voltage stress and thus disadvantages are avoided with regard to its service life due to direct current loads. Furthermore have the semiconductor components of the capacitor switch only the amount of the simple mains voltage than Reverse voltage, since the capacitor voltage is zero in the switched-off state the connection and disconnection time of the capacitor in the network, both in the positive or negative peak value the mains voltage.
Auch ist eine Vorladung der Spannung uc des Kondensators auf Werte ungleich der Netzscheitelspannung durch Verschiebung des Vorladezeitpunktes möglich. Dabei bringt eine Verschiebung in Richtung des Netzspannungsscheitelwertes eine Vorladespannung, die größer als die Scheitelwertspannung des Netzes ist Durch diese Anpassungsfähigkeit durch Veränderung des Vor- und analog entsprechend auch des Entladeschaltzeitpunktes ist es möglich, die Bedingungen für ein exaktes ausgleichstromfreies Schalten zu realisieren. Im Ergebnis sind das Auf- und Entladen verlustfrei.It is also possible to precharge the voltage u c of the capacitor to values unequal to the network peak voltage by shifting the precharge time. A shift in the direction of the network voltage peak value results in a precharge voltage that is greater than the peak value voltage of the network.This adaptability by changing the precharge switching time and analogously also the discharge switching time makes it possible to implement the conditions for precise switching without equalizing current. As a result, charging and discharging are lossless.
Anhand einer Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert Es zeigen dieA schematic exemplary embodiment of the invention will be explained with the aid of a drawing the
F i g. 1 und 3 Anordnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, während dieF i g. 1 and 3 arrangements for performing the method according to the invention, while the
F i g. 2 das Verfahren selbst verdeutlicht.F i g. 2 clarifies the procedure itself.
In der F i g. 1 liegt der Kondensator C an einem zu kompensierenden Wechselstromnetz der Spannung LJ. Er wird an das Netz durch den Halbleiterschalter S angeschlossen, wobei auch noch eine besondere Induktivität — dargestellt als Drossel L — vorgesehen ist Eine Steuerung STMiefert dem Halbleiterschalter S Zündimpulse ig, wobei diese in Abhängigkeit von der am Halbleiterschalter 5 liegenden Spannung Us und der am Kondensator liegenden Spannung Uc erfolgt.In FIG. 1, the capacitor C is connected to an alternating current network to be compensated for with the voltage LJ. It is connected to the network through the semiconductor switch S, whereby also a special inductance - shown as a throttle L - provided is a control STMiefert the semiconductor switch S ignition pulses i g, said U depending on the lying at the semiconductor switch 5 voltage s, and voltage U c across the capacitor takes place.
Wie es die Fig.2 erkennen läßt wird der Kondensator C in der Viertelperiode PIA vor dem Zuschaltzeitpunkt tc,n des Kondensators an das Netz zum Vorladeschaltzeitpunkt U kurzzeitig eingeschaltet. In dieser Folge fließt dann kurzzeitig ein Kondensatorstrom i, und es schwingt die Spannung des Kondensators L/Cauf den Scheitelwert der Netzspannung L). As can be seen from FIG. 2, the capacitor C is briefly switched on in the quarter period PIA before the connection time t c , n of the capacitor to the network at the precharge switching time U. As a result, a capacitor current i flows for a short time, and the voltage of the capacitor L / C swings to the peak value of the mains voltage L).
Ein Rückschwingen der Kondensatorspannung ist wegen der nur kurzzeitigen Zündung des Halbleiterschalters Snicht möglich. Zum Zuschaltzeitpunkt f«„des Kondensators an das Netz wird der Halbleiterschalter S durch mehrere Zündimpulse oder einen Dauerzündimpuls ig ständig leitend gehalten, und es erfolgt eine Kompensierung des Wechselstromnetzes mit der Kapazität des Kondensators. Zum Abschaltzeitpunkt tab des Kondensators C vom Netz erfolgt keine weitere Zündung des Halbleiterschalters S, und es verbleibt die Ladung des Kondensators vorerst kurzzeitig auf dem Scheitelwert der Netzspannung. Innerhalb einer Viertelperiode PIA nach dem Abschaltzeitpunkt Ub wird der Halbleiterschalter 5 zum Entlarieschaltzeitpunkt fenoch einmal kurzzeitig gezündet So fließt kurzzeitig noch ein Entlade-Kondensatorstrom /' und es schwingt die Spannung des Kondensators ab auf den Wert Null. Es ist de Verlauf der einzelnen elektrischen Größen im Ablauf der Zeit t dargestellt.A swingback of the capacitor voltage is not possible because of the brief ignition of the semiconductor switch S. When the capacitor is switched on to the network, the semiconductor switch S is kept continuously conductive by several ignition pulses or a continuous ignition pulse ig , and the AC network is compensated for with the capacitance of the capacitor. At the disconnection time tab of the capacitor C from the network, there is no further ignition of the semiconductor switch S, and the charge of the capacitor initially remains briefly at the peak value of the network voltage. Within a quarter period PIA after the switch-off time Ub , the semiconductor switch 5 is briefly ignited again at the discharge switching time f e. The course of the individual electrical quantities over the course of time t is shown.
Die F i g. 3 zeigt eine Anordnung der F i g. 1, bei der in Abweichung davon für das Vor- bzw. Entladen des Kondensators eine besondere Ladeeinrichtung LA The F i g. 3 shows an arrangement of FIG. 1, in which, in contrast to this, a special charging device LA for precharging and discharging the capacitor
vorgesehen ist. Wie die Figur erkennen läßt, wird aus einer Hilfsspannungsquelle Uh über einen Transformator T über ein Halbleiterschaltelement Sh und eine Drossel Lider Kondensator Cvor- bzw. entladen. Das vorstehend erläuterte Verfahren ist nicht auf dasis provided. As the figure shows, an auxiliary voltage source Uh is precharged or discharged via a transformer T via a semiconductor switching element Sh and a choke Lider capacitor C. The procedure outlined above is not limited to the dargestellte Beispiel der Kompensation eines Wechselspannungsnetzes beschränkt sondern läßt sich in übertragender Weise auch für Drehstromnetze verwenden.The example shown of the compensation of an alternating voltage network is limited but can be found in also use for three-phase networks.
Claims (4)
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